多層組合超高壓容器的殘余應力分析與強度設計.pdf

1、隨著超高壓技術應用的日益廣泛，需要壓力容器在超高壓力、高溫、腐蝕等苛刻條件下工作，這對超高壓容器的結構、強度和材料等都提出了更嚴格的要求，為保證容器安全可靠的長期運行，研究組合超高壓容器具有重要的意義。本文主要研究了超高壓容器的爆破壓力預測、多層縮套容器的優(yōu)化設計、縮套與自增強技術相結合的雙層組合容器的殘余應力計算以及剖分式三層組合超高壓容器的優(yōu)化設計，具體研究成果如下：
　　 (1)采用BP神經(jīng)元網(wǎng)絡原理，以影響容器爆破壓力的

2、4個主要參數(shù)為網(wǎng)絡輸入?yún)?shù)，建立了預測超高壓容器爆破壓力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型。實際的驗證與對比結果表明，建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型能夠較為準確的預測超高壓筒形容器的爆破壓力。這種方法不用研究結構加載歷史，只關心結構在極限狀態(tài)下的承載能力，避開了解決塑性問題遇到的難點，為超高壓容器的設計提供了一條先進、合理的途徑。
　　 (2)研究了不同材料制成的多層縮套簡體的強度優(yōu)化設計。用厚壁筒的彈性理論及等強度設計方法，以最大剪應力理論為強度條件

3、，以總徑比(筒體的外徑與內徑之比)為約束，以各層徑比為設計變量，以彈性承壓能力最大為目標建立了多層容器的優(yōu)化設計數(shù)學模型。應用Lagrange乘子法優(yōu)化算法得到了各層最優(yōu)徑比計算公式。在此基礎上推導了最優(yōu)縮套壓力及最優(yōu)過盈量公式。過盈量精確解的給出，避免了使用當量彈性模量計算的誤差，保證了裝配后的容器具有最適宜的周向殘余應力，不僅提高了容器的承壓能力而且提高了容器的安全性。
　　 (3)基于混合雙線性材料模型，使用有限元軟件AN

4、SYS的APDL語言建立了厚壁筒的自增強殘余應力計算參數(shù)化模型。利用該模型研究了材料卸載應變硬化系數(shù)Et2對殘余應力的影響。結果表明：Et2只影響反向屈服區(qū)的殘余應力分布，隨著Et2的增大，筒壁的最大殘余壓應力由反向屈服半徑處移動到內壁。這為自增強厚壁筒是否可發(fā)生反向屈服提供了判斷依據(jù)。
　　 (4)基于材料實際拉/壓應力-應變曲線，研究了內外筒分別進行自增強處理后再進行縮套的雙層筒殘余應力。在分析內外筒載荷歷史的基礎上，將內筒

5、的自增強卸載和縮套效應同時考慮，給出了內外筒殘余應力的精確解析解。將解析解與有限元仿真值進行對比，兩者結果吻合。討論了縮套壓力對內外筒殘余應力的影響、操作壓力與最優(yōu)超應變百分比的關系。
　　 (5)考慮縮套殘余應力的影響，研究了雙層縮套厚壁筒自增強殘余應力問題。首先采用有限元增廣拉格朗日接觸算法，基于ANSYS平臺，使用APDL語言開發(fā)了雙層縮套筒參數(shù)化接觸模型。利用該模型分析了主要參數(shù)縮套過盈量與縮套半徑對殘余應力的影響規(guī)律以

6、及對最大彈性承壓能力的影響。首次推導出了基于理想彈塑性材料力學模型的雙層縮套筒殘余應力解析解。將本文的有限元分析值與解析解進行比較，在屈服區(qū)結果一致，而在彈性區(qū)略有差別。
　　 (6)研究了內層為剖分層，外層為自增強后縮套的雙層整體筒組合超高壓容器的優(yōu)化設計。以等強度理論為設計原則，以強度失效準則為約束，整體壁厚最小為目標，各層外徑、中層和外層自增強屈服半徑及層間縮套壓力為設計變量，建立了該類剖分式組合容器的優(yōu)化設計模型。最后用